Cu-Ni-Si合金時效處理過程中產品性能影響因素研究

張 英，劉 焱，陳建永

（凱美龍精密銅板帶(河南)有限公司，河南 新鄉 453000）

1 引言

Cu-Ni-Si合金是一種結構功能材料，因其同時兼有高強度、高導電率及易焊接性能，被廣泛應用于新能源汽車、人工智能、5G及物聯網等高新科技領域[1］。此外，Cu-Ni-Si合金還廣泛應用于各類電子連接器中，尤其是通信類連接器和汽車連接器。隨著電子工業的快速發展，Cu-Ni-Si材料的市場需求巨大，市場前景誘人。

5G時代“高速傳輸、實時接收”使得萬物互聯的智能世界成為可能，5G時代帶來的海量信息傳輸，對存儲和收發的電子元件提出了更高的要求。不僅要求構件材料體積更小、厚度更薄，還要求材料具有更高的穩定性，其組織性能需要達到更高的標準[2］。

Cu-Ni-Si合金性能變化通常由化學成分及熱軋、冷變形量、固溶工藝引起[3-6］，但在實際生產過程中，經常發現時效前各工序產品性能基本一致，但是時效處理后產品性能產生差異。因此，分析時效處理過程中產品性能的影響因素十分必要。

2 樣品制備及檢測

2.1 實驗材料

Cu-Ni-Si系列產品常規制備過程如下：鑄造→熱軋→銑面→粗軋→固溶處理→終軋→時效處理→拉彎矯直→清洗→表面檢測[7］。選取樣品規格為 長9000mm×寬720mm×厚220mm， 成分為2.2～4.2%Ni、0.25～1.2%Si、0.05～0.3%Mg 及Cu 余量的 C70250 寬幅鑄錠進行測試。首先將C70250鑄錠在預熱爐內加熱至指定溫度，保溫一定時間后出爐進行熱軋，熱軋結束后進行淬火處理，以確保Ni、Si 充分固溶，再銑面處理去除板坯表面氧化皮，可防止其在后續軋制過程中被軋入板坯形成表面缺陷。將銑面后的板坯冷軋至固溶前厚度，送入氣墊爐進行固溶處理，然后進行最終軋制，最終軋制變形量選擇40%，軋制完成后在成品帶卷上取2m長樣品若干組，加工流程如圖1所示，將所取樣品分為A、B、C、D四組，每組樣品個數如表1，將各樣品放置在鐘罩爐內，以不同工藝進行時效處理。

圖1 加工流程圖

表1 樣品組別及個數

2.2 實驗方法

樣品時效處理后用試驗力范圍為 0～100kN 的Zwick/Roell 材料拉伸機檢測樣品抗拉強度 Rm、屈服強度 Rp0.2、延伸率性能 A50，用測量范圍200gf～30kgf的Zwick/Roell 維氏硬度計檢測產品硬度HV，用測量范圍1～112%IACS、測量精度±0.5%的SIGMATEST 2.069 電導率測量儀測量產品導電率。

3 實驗結果與討論

3.1 時效溫度和時效時間

取出A組樣品，將樣品纏繞在鐘罩爐時效銅帶外圈，且每爐樣品皆放在同一高度。每個樣品分別以400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃等溫度時效并保溫4h、6h、8h、10h，待樣品出爐后分別檢測各樣品抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2、延伸率A50以及電導率。測試結果如圖2。

圖2 時效溫度和時效時間對Cu-Ni-Si產品機械性能及導電性能的影響

由圖2可知：在400～430℃時效時，Cu-Ni-Si合金的強度隨溫度升高逐漸提升，抗拉強度最高可提升至737MPa。當時效溫度超過430℃時，Cu-Ni-Si合金的強度開始降低，抗拉強度最低可降低至707MPa；電導率隨溫度的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，導電性最高可提升至27.7mS/m。Cu-Ni-Si合金時效處理過程中，溫度較低時溶質原子不易從銅基體中析出，形成的第二相比較少，合金強度提升較少，且未析出的溶質原子對電子有散射作用，導致合金的導電率提升亦比較少。隨著時效溫度增加，溶質原子逐漸減少，形成的第二相逐漸增加，材料的強度和導電性逐漸增加。當溫度過高時，析出的溶質原子會聚集長大，使合金的力學性能降低，即產生過時效。因此，合適的時效溫度對調控Cu-Ni-Si合金的組織和性能具有重要作用。

圖2還顯示：時效溫度在400～420℃范圍時，時效時間在4h到10h范圍內，產品強度隨時效時間的增加而增加，抗拉強度最高可達727MPa。當時效溫度在430～450℃范圍時，時效時間在4h到10h范圍內，隨時效時間增加產品強度會先升高再降低，抗拉強度先升高至737MPa再降至707MPa；但產品電導率會隨著時效時間增加而增加，導電性最高可提升至27.7mS/m。這是因為時效初期溶質原子在基體中屬于過飽和狀態，Ni、Si原子容易大量析出形成第二相，強度迅速提高。但隨著時效時間增加，基體中Ni、Si原子逐漸析出，在基體中的飽和度逐漸減小，第二相的析出能力逐漸降低，合金強度增加速度降低。當時效時間超過一定值后，由于固溶的Ni、Si原子含量較少而無法析出，但時效初期析出的第二相不斷長大，合金的強度開始降低。因此，制定合適的時效時間對調控Cu-Ni-Si的性能具有重要作用[8］。

3.2 料卷位置

如圖3所示，取出B組4個樣品分別捆綁在卷1到卷4的外圈，另外按圖分別設置10處熱電偶。樣品和熱電偶放置完成后，采用410℃、6h保溫的工藝參數進行時效處理，統計爐內各熱電偶處保溫時間，見圖4。時效處理結束后，檢測材料機械性能及導電性，檢測結果如表2。

圖3 樣品及熱電偶位置

圖4 各熱電偶處保溫時間

表2 不同位置樣品性能數據

由圖4及表2可知：從卷1到卷4，料卷位置從下至上保溫時間逐漸增加，各熱電偶最短保溫時間與最長保溫時間相差1.4h。各卷處機械性能基本一致，但導電性逐漸增加，最高層料卷較最低層料卷導電性約高0.57ms/m。由3.1可知，保溫時間越長，導電性越高。因此，料卷位置對材料性能，特別是導電性能有一定的影響。

3.3 料卷卷徑

在現場實際生產過程中，往往會因為樣品訂單、設備故障、品質異常等原因產生不同卷徑的料卷。而在鐘罩爐時效處理生產過程中，考慮到安全問題，一般情況下是將外徑大的產品放在底部，外徑小的產品放置在上部，以防止料卷坍塌。

首先，選取3卷外徑為1450mm、寬度為400mm材料作為配爐料，依次放在爐臺下方。然后選取4卷外徑分別為1430mm、1320mm、1150mm、1030mm且寬度一致的料卷放在最上邊。采用相同時效參數分批次生產4爐，取C組4個樣品分別纏繞在4爐不同卷徑的料卷上進行時效處理，時效結束后檢測各樣品機械性能、導電率，結果如表3：

表3 不同卷徑樣品性能數據

由表3可知，同一時效參數，材料卷徑越小，時效后導電率越高，最大卷徑比最小卷徑料卷導電率低2.38mS/m。當材料卷徑過小時，材料強度甚至呈降低趨勢，抗拉強度較正常料卷約降低20～30MPa。這種情況通常稱為過時效狀態。

3.4 保護氣種類

金屬材料退火時，極易發生高溫氧化。為了防止材料氧化，常讓金屬材料在惰性氣體或還原性氣體保護下進行退火。各板帶生產廠商常采用的保護氣種類有氮氣、氫氣及氮氫混合氣。在保護氣氛下，可以隔絕氧氣，同時保護氣氛可以作為傳熱介質，有利于金屬材料的受熱均勻，進而使得材料性能穩定。

取D組3個樣品分別以氮氣、氫氣及氮氫混合氣作保護氣，用相同時效溫度及時間進行時效退火，時效結束后檢測各樣品機械性能及電導率，檢測結果如表4。

表4 不同保護氣樣品性能數據

由表4可知：相同時效參數下，采用氮氣作保護氣時，與采用氫氣及氮氫混合氣作保護氣相比，材料機械性能與導電性能皆偏低，其中抗拉強度約低30MPa，導電率約低0.66ms/m。氫氣及氮氫混合氣作保護氣進行時效處理時，材料的機械性能與導電性能基本一致。

4 結論

（1）在400～430℃時效時，Cu-Ni-Si合金的強度會隨溫度的升高逐漸提升，抗拉強度最高可提升至737MPa。在430～450℃時效時，Cu-Ni-Si合金的強度會隨溫度升高而逐漸降低，抗拉強度最低可降至707MPa；電導率隨溫度的增加而增加，但增加幅度逐漸減小，導電性最高可提升至27.7mS/m。

（2）時效溫度在400～420℃范圍時，時效時間在4h到10h范圍內，產品強度會隨時效時間的增加而增加，抗拉強度最高可達727MPa。當時效溫度在430～450℃范圍時，時效時間在4h到10h范圍內，隨著時效時間的增加，產品強度會先升高后降低，抗拉強度先升高至737MPa再降至707MPa；但產品電導率會隨著時效時間的增加而增加，導電性最高可提升至27.7mS/m。

（3）同一爐料卷自下而上保溫時間逐漸延長，各熱電偶處最長保溫時間與最短保溫時間相差1.4h。導電性能自下而上遞增，最高層料卷導電率較最低層料卷約高0.57mS/m。

（4）同一時效參數，料卷卷徑越小，導電性越高，料卷過小時，呈過時效狀態。最大卷徑比最小卷徑料卷導電率低2.38mS/m。過時效時，抗拉強度較正常料卷約降低20～30MPa。

（5）在時效溫度和時間同等的情況下，采用氮氣作保護氣與采用氫氣及氮氫混合氣作保護氣相比，材料機械性能與導電性能偏低，抗拉強度約低30MPa，導電率約低0.66mS/m。氫氣及氮氫混合氣作保護氣進行時效時，材料的機械性能與導電性能基本一致。